呼吸檢測電子鼻及其在肺癌診斷應用中的研究

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1、摘要摘要肺癌是一種高惡性度的腫瘤，發(fā)病率呈快速上升趨勢，因為缺少有效的早期診斷技術其死亡率亦高踞腫瘤前三甲。因此急需研制出可應用于臨床的新型肺癌診斷技術。呼吸診斷方法是一種新型的無創(chuàng)傷的診斷技術，電子鼻技術能夠提供自動，快捷、方便的檢測技術，基于此兩種技術，本文提出了新型肺癌呼吸診斷電子鼻的技術實現(xiàn)方法。該方法基于臨床數(shù)據(jù)得出的診斷模型，利用聲表面渡傳感器結(jié)合毛細管分離技術，實現(xiàn)了肺癌的快速、無創(chuàng)診斷，為早期診斷肺癌開辟了一條新的途徑。本文的主要研究內(nèi)容：(一)肺癌呼吸診斷方法1)研究了肺癌的病理，闡述了肺癌細胞代謝過程中產(chǎn)生特異性標志物的可能。使用固相微萃取和氣相色譜聯(lián)用技

2、術檢測肺癌細胞和其他正常細胞離體時的代謝產(chǎn)物，比較了他們之間的共性和差異，找出了四種氣體作為肺癌細胞代謝的特異性氣體，根據(jù)氣相色譜外標法確定了其中的兩種為癸烷和十一烷。為呼吸檢測肺癌提供了細胞水平的病理依據(jù)?！厶岢隽朔伟┘毎x產(chǎn)物中可能存在細胞水平的特征性標志物，并對這個可能性進行了實驗的論證。設計了相關的實驗方法，選擇了頂空固相微萃取聯(lián)用氣相色譜技術對細胞培養(yǎng)液中的代謝產(chǎn)物進行檢測。>得出了相關的實驗結(jié)果，論證了肺癌細胞代謝中確實存在和正常細胞不同的代謝產(chǎn)物。異戊二烯在含量上要比正常細胞多。十一烷和癸烷可以用來區(qū)別肺癌細胞和正常細胞。在保留時間為1．6min到3．6min

3、的區(qū)域里，不同肺癌細胞都有代謝產(chǎn)物，而正常細胞則沒有。>進行了肺癌細胞代謝模型的探討。根據(jù)實驗現(xiàn)象的總結(jié)和對細胞癌變的一些理解，探討了在細胞癌變過程中的各個階段產(chǎn)生特征性標志物的可能，以及它們之間的相互關系。2)研究了人體呼出氣的收集和檢測方法，根據(jù)實驗統(tǒng)計結(jié)果確定了基于不同肺癌特征性標志物組合的診斷模型，研究了這些模型的診斷靈敏度和特異度。根據(jù)和肺癌細胞代謝特征性產(chǎn)物的對比，選擇了癸烷和十一烷的組合作為診斷模型?；谠撃Ｐ偷脑\斷方法達到了80％左右的靈敏度和7O％左右的特異度。ROC曲線下面積為0．8左右。實現(xiàn)了肺癌呼吸診斷方法，為診斷電子鼻的設計提供了臨床數(shù)據(jù)。(二)呼吸

4、檢測電子鼻1)研究制作了中心頻率為12OMHz，敏感區(qū)為0．5mm見方的聲表面波質(zhì)量溫度傳感器。其質(zhì)量靈敏度達到1KHz／ng，溫度靈敏度達到9KHz／摘要℃。設計了基于此傳感器的電子鼻氣體質(zhì)量檢測器。實現(xiàn)了該檢測器工作溫度的精確控制(±0．02℃)，使得檢測器基線噪聲在4Oilz以內(nèi)?！垩芯苛寺暠砻娌ㄙ|(zhì)量溫度傳感器的設計原理，方法。對具體實現(xiàn)的聲表面波傳感器的基本特性進行了測試。實驗結(jié)果顯示，該傳感器的實際表現(xiàn)基本迭到了我們的設計要求?！垩芯苛死迷搨鞲衅髦谱鞲哽`敏度質(zhì)量檢測器的設計方案。對該檢測器的工作原理，工作方式進行了探討?！墼O計了溫控反饋系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的實際工作功率

5、進行了數(shù)據(jù)分析，根據(jù)功率曲線調(diào)整了PID溫控算法從而實現(xiàn)了傳感器工作溫度的精確控制和調(diào)節(jié)?！氛撌隽嗽摍z測器工作時存在的干擾因素，討論了他們的屏蔽方法。設計了檢測器的接口和封裝2)研究了電子鼻的系統(tǒng)方案，確定了基于毛細管分離柱結(jié)合聲表面波傳感器的電子鼻檢測系統(tǒng)，設計制作了該系統(tǒng)的軟件和硬件，實現(xiàn)了對診斷方法中的特征性標志物的檢測。≯根據(jù)實際要求對儀器的氣路，電路系統(tǒng)進行了設計。標定了整個電子鼻系統(tǒng)的電路。標定了電子鼻系統(tǒng)對癸烷和十一烷的檢測靈敏度分別為12Hz／ng和27Hz／ng，檢測下限分別為1Ong和4．5ng。線性檢測范圍分別為1Ong一2000ng和4．5ng一400

6、ng。>對電子鼻系統(tǒng)的軟件進行了設計。完成了各個模塊的功能實現(xiàn)，對特征值提取的算法進行了設計并優(yōu)化了參數(shù)。實現(xiàn)了呼吸檢測肺癌的診斷方法。3)研究了電子鼻的臨床應用。對肺癌病人和正常人呼吸樣本進行檢測。通過對比基于熱解析-GC-FIO分析系統(tǒng)的臨床實驗數(shù)據(jù)，闡明了該電子鼻不但可以應用于肺癌·臨床診斷還可以應用于肺癌呼出氣特征性標志物的研究?！费芯康贸隽撕粑鼩怏w預處理的不同會影響特征性標志物的檢測。比較了基于固相微萃取和熱解析預處理的臨床實驗結(jié)果。發(fā)現(xiàn)只有十一烷可作為特征性標志物同時出現(xiàn)。使用熱解析-GC-FID檢測系統(tǒng)測試了80倒氣體樣本(40例為肺癌患者，40例為正常人)，根

7、據(jù)實驗統(tǒng)計結(jié)果，選擇了出峰時間為10．870(十一烷)，17．867，20．881，21．809和24．331的五種物質(zhì)作為該系統(tǒng)的肺癌標志性物質(zhì)?！凼褂秒娮颖窃\斷儀測試了10例氣體樣本(5例肺癌患者，5例正常人)，對比熱解析-GC-FID檢測系統(tǒng)的臨床數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)選中的五種物質(zhì)可以和電子鼻檢測到的肺癌患者呼吸中的特征性物質(zhì)一一對應【在出鋒保留時間上相差1．3秒)。根據(jù)我們目前的研究，基于有限樣本量，確定了呼吸診斷肺癌的方法，為該方法的病理研究提供了實驗數(shù)據(jù)。基于此設計了電子鼻系統(tǒng)實現(xiàn)了肺癌呼吸診斷的儀器